JP2017101503A - 凍結工法 - Google Patents

Abstract

【課題】土壌を下方の領域から上方の領域に向かって凍結することが出来て、伝熱性能を有する流体が凍結して体積膨張しても冷媒用配管は圧縮されず、冷媒の適正な循環を維持出来る凍結工法の提供。【解決手段】ボーリング孔（１）内に断熱材（Ｉ）で包囲された冷媒（例えば二酸化炭素）供給配管（ＬＳ）及び断熱材で包囲されていない冷媒戻り配管（ＬＯ）が挿入され且つ伝熱性流体（水：Ｗ）が充填されており、冷媒供給配管（ＬＳ）の冷媒供給側から離隔した端部側は断熱材（Ｉ）で包囲されず、冷媒供給配管（ＬＳ）内を流れる冷媒の冷熱は断熱材（Ｉ）で遮断されて伝熱性流体（Ｗ）を凍結せず、伝熱性流体（Ｗ）が冷媒供給側から離隔した領域（ＡＤ）から冷媒供給側の領域に向かって凍結し、凍結した伝熱性流体（Ｗ）の体積膨張により生じた圧力は、冷媒供給側の領域の伝熱性流体（Ｗ）を押圧して、ボーリング孔（１）の端部（開口部）から排出する。【選択図】図１

Description

本発明は凍結工法に関し、冷媒に二酸化炭素を用いた凍結工法に関する。

凍結工法では、例えば掘削用ケーシングで地盤にボーリング孔を掘削し、その後、掘削用ケーシングを地上側に引き抜いて、当該掘削したボーリング孔に冷媒用配管を挿入し、冷媒用配管内に冷媒を循環させて、当該冷媒が有する冷熱により、所定範囲の土壌を凍結し、地中壁その他の所望の地中固結体を造成している。
ここで、ボーリング内にはシースパイプが挿入されており、土壌に冷熱を伝導するため、シースパイプ内部に伝熱性能を有する流体（例えば水）を充填している。

冷媒用配管で冷媒を循環するに際して、最も冷熱を放出するのは循環初期の冷媒であり、当該冷媒はボーリング孔の冷媒供給側、通常はボーリング孔の上方の領域、を流れる。
そのため、シースパイプに充填されている伝熱性能を有する流体は、ボーリング孔の上方の領域において、冷媒の冷熱が最初に供給される。そして、シースパイプに充填されている伝熱性能を有する流体が水である場合には、ボーリング孔の上方の領域の水が冷媒の冷熱が投入されて最初に凍結し、下方の領域に向かって水の凍結が進行する。

また、水が凍結して氷になると体積が膨張する。上述した様に、上方の領域から下方の領域に向かって凍結するため、水が氷となり膨張して体積が増大した際に、ボーリング孔の上方の領域は氷（先に凍結した氷）により閉鎖されているので、体積膨張による圧力はボーリング孔の上方に逃げることはできない。
一方、ボーリング孔の下方には凍結していない水が存在し、体積増大による圧力が作用しても、ボーリング孔下方の水を上方から圧縮することはできない。すなわち、体積増大により生じた圧力をボーリング孔下方の水で吸収することは出来ない。

その結果、水が氷となり体積膨張して生じる圧力は冷媒用配管を圧縮する様に作用する。そして冷媒用配管の圧縮強度を超えると、冷媒用配管が氷により圧縮されて変形し、流路断面積が減少する。
冷媒用配管の流路断面積が減少すると、所定流量の冷媒を循環させることが困難となり、所定範囲の土壌を良好に凍結することが困難になる。そして、冷媒用配管が氷の圧力に耐え切れずに破壊されてしまうと、冷媒が循環されなくなり、凍土壁等を造成するべき領域の土壌を凍結することが出来なくなってしまうという問題が存在する。

その他の従来技術として、造成凍土に充填材を充填したボーリング孔を形成する技術が提案されている（特許文献１参照）。
しかし、係る従来技術（特許文献１参照）は凍土周辺の地中構造物に対する影響の低減を目的としており、下方の領域から上方の領域に向かって凍結が進行する様にせしめる技術ではなく、冷媒用配管の圧縮変形による各種不都合を解消するための技術でもない。

特開平８−３３８０１６号公報

本発明は上述した従来技術の問題点に鑑みて提案されたものであり、凍結するべき土壌を下方の領域から上方の領域に向かって凍結することが出来て、伝熱性能を有する流体が凍結して体積膨張しても、冷媒用配管は圧縮されず、冷媒の適正な循環を維持することが出来る凍結工法の提供を目的としている。

本発明の凍結工法は、ボーリング孔（１）内に断熱材（Ｉ）で包囲されており冷媒（例えば二酸化炭素）を供給する配管（冷媒供給配管ＬＳ）及び断熱材で包囲されておらず冷媒を供給側（例えば地上側）に戻す配管（冷媒戻り配管ＬＯ）が挿入され且つ伝熱性流体（Ｗ：例えば水或いは各種水溶液）が充填されており、冷媒を供給する配管（ＬＳ）及び冷媒が供給側（例えば地上側）に戻る配管（ＬＯ）内では冷媒が一方向のみに流れ（一つの配管内では地上側或いは地中側の何れか一方向のみにしか冷媒は流れず）、
冷媒がボーリング孔（１）内の冷媒を供給する配管（ＬＳ）内を流れる際に冷媒（例えば、液相の二酸化炭素）の冷熱は断熱材（Ｉ）で遮断され、ボーリング孔（１）内を充填している伝熱性流体（Ｗ）を凍結せず、
冷媒を供給する配管（ＬＳ）の断熱材（Ｉ）で包囲されていない領域（ＳＤ）に到達した冷媒が周囲から熱（顕熱或いは潜熱）を奪い、冷媒を供給側（例えば地上側）に戻す配管（ＬＯ）内を流れ、冷媒が保有する冷熱が周辺土壌（Ｇ）に伝達され、
ボーリング孔（１）内に充填された伝熱性流体（Ｗ）が冷媒供給側から離隔した領域（ＡＤ）から凍結し、冷媒供給側（例えば上方）の領域に向かって凍結し、
凍結した伝熱性流体の体積膨張により生じた圧力は、冷媒供給側（例えば上方）の領域の伝熱性流体（Ｗ）を押圧して、ボーリング孔（１）の端部（開口部）から排出する（矢印ＯＦ）ことを特徴としている。

本発明において、ボーリング孔（１）内に中空部材（例えばシースパイプ２、ボーリング孔掘削用ケーシング）を挿入し、中空部材の内部空間内に、断熱材で包囲されており冷媒を供給する配管（ＬＳ）と断熱材で包囲されておらず冷媒を供給側に戻す配管（ＬＯ）が挿入されるのが好ましい。
そして前記中空部材はシースパイプ（２）であっても良いし、或いは、地中に残存したボーリング孔掘削用ケーシングであっても良い。
また本発明において、垂直方向上方に延在するボーリング孔（１）を削孔し、中空部材の下端を蓋（３）により閉鎖し、当該蓋（３）に開閉弁（Ｖ）を設け、当該開閉弁（Ｖ）は、蓋（３）に作用する圧力が、ボーリング孔（１）上方の領域（ＡＤＵ）における水Ｗの圧力にヘッド差（Ｈ＝ρｇｈ：ρは中空部材内に充填されている伝熱性流体の比重、ｇは重力加速度、ｈは開閉弁Ｖを設けた個所とボーリング孔１上方の領域ＡＤＵとの高さの差）を加えた圧力よりも大きい場合には開放し、それ以下の場合には閉鎖する機能を有しており、
冷媒を供給する配管（ＬＳ）の断熱材（Ｉ）で包囲されていない上方領域（ＳＤＵ）を流れる冷媒が保有する冷熱により、伝熱性流体（Ｗ）がボーリング孔（１）上方の領域（ＡＤＵ）から順次下方の領域に向かって凍結し、体積膨張して圧力が生じると、前記蓋（３）に作用する圧力が増加して前記開閉弁（Ｖ）が開放し、伝熱性流体（Ｗ）が中空部材から排出されるように構成することも可能である。

上述の構成を具備する本発明によれば、冷媒を供給する配管（冷媒供給配管ＬＳ）を断熱材（Ｉ）で包囲し、冷媒が供給側（例えば地上側）に戻る配管（冷媒戻り配管ＬＯ）は断熱材で包囲していない。
そのため、冷媒がボーリング孔（１）内の冷媒を供給する配管（ＬＳ）内を流れても、冷媒の冷熱は断熱材（Ｉ）で遮断されるので、ボーリング孔（１）内を充填している伝熱性流体（Ｗ：例えば水）は凍結しない。そして、供給側（例えば地上側）に戻る配管（冷媒戻り配管ＬＯ）の断熱材（Ｉ）で包囲されていない箇所（土壌Ｇ中の凍結するべき領域に対応する箇所）では、冷媒は周囲から熱（顕熱及び／又は潜熱）を奪い、気化して、気相或いは気液二相流となって、供給側（例えば地上側）に戻る配管（ＬＯ）内を流れる。その際、冷媒が保有する冷熱は、伝熱性流体（Ｗ）、周辺土壌（Ｇ）に伝達され、ボーリング孔（１）周辺の土壌（Ｇ）を凍結する。そして、気相或いは気液二相流となって冷媒が供給側（例えば地上側）に戻る配管（ＬＯ）内を地上側に向かって流れ、周囲から熱（顕熱及び／又は潜熱）を奪うことにより、凍結するべき土壌を冷媒供給側から離隔した領域（ＡＤ）から冷媒供給側（例えば地上側）の領域に向かって凍結するので、本発明によれば下方の領域から上方の領域に向かって凍結することが出来る。
ここで、本発明では、冷媒用配管（ＬＳ、ＬＯ）内では、冷媒は地中側に向かってのみ流れるか（冷媒供給側）、或いは、地上側に向かってのみ流れるか（冷媒戻り側）の何れかである凍結工法が対象となる。

ここで、最も冷熱を放出するのは、供給側（例えば地上側）に戻る配管（冷媒戻り配管ＬＯ）の断熱材（Ｉ）で包囲されていない箇所（土壌Ｇ中の凍結するべき領域に対応する箇所）において、最も供給側から離隔した箇所（供給側が地上側の場合には、最も地中側の箇所：下方の箇所）を流れる冷媒である。そのため、伝熱性流体（Ｗ）は、ボーリング孔（１）の冷媒供給側から離隔した側（例えば下方）の領域（ＡＤ）近傍からから凍結し、順次、冷媒供給側（例えば上方の）領域に向かって凍結する。
その際に、ボーリング孔（１）内の伝熱性流体（Ｗ）が凍結する領域よりも冷媒供給側（上方）の領域では、冷媒を供給する配管（ＬＳ）を流れる冷媒の冷熱は断熱材（Ｉ）で遮断されているので、伝熱性流体（Ｗ）は凍結していない（ボーリング孔１の上方の領域は氷で閉鎖されてはいない）。そのため、ボーリング孔１内部の領域の伝熱性流体（Ｗ）が冷媒供給側から離隔した側（例えば下方）の領域（ＡＤ）より凍結し、体積膨張して圧力が発生しても、当該圧力はボーリング孔内（１）の冷媒供給側（例えば上方の）領域の伝熱性流体（Ｗ）を押し上げ、ボーリング孔（１）の冷媒供給側開口部から溢れ出て、排出させる（矢印ＯＦ）のみである。すなわち、冷媒用配管（ＬＳ、ＬＯ）を圧縮することはない。
したがって、冷媒用配管（ＬＳ、ＬＯ）が圧縮されず、流路は変形せず、流路断面積が減少することがなく、冷媒用配管（ＬＳ、ＬＯ）が破損することもないので、本発明によれば、冷媒の循環は適正に行われ、周辺土壌Ｇを凍結することが出来る。

本発明において、ボーリング孔（１）内に中空部材（例えばシースパイプ２、ボーリング孔掘削用ケーシング）を挿入し、中空部材の内部空間内に冷媒を供給する配管と断熱材で包囲されておらず冷媒を供給側に戻す配管を挿入し、中空部材の下端を蓋（３）により閉鎖し、蓋（３）に開閉弁（Ｖ）を設け、開閉弁（Ｖ）は、蓋（３）に作用する圧力が、ボーリング孔（１）上方の領域（ＡＤＵ）における伝熱性流体（Ｗ）の圧力にヘッド差（Ｈ＝ρｇｈ：ρは中空部材内に充填されている伝熱性流体の比重、ｇは重力加速度、ｈは開閉弁Ｖを設けた個所とボーリング孔１上方の領域ＡＤＵとの高さの差）を加えた圧力よりも大きい場合には開放し、それ以下の場合には閉鎖する機能を有し、供給側に戻る配管（ＬＯ）を流れる冷媒が保有する冷熱により、伝熱性流体（Ｗ）がボーリング孔（１）上方の領域（ＡＤＵ）近傍から順次下方の領域に向かって凍結し、体積膨張して圧力が生じると、前記蓋（３）に作用する圧力が増加して前記開閉弁（Ｖ）が開放し、伝熱性流体（Ｗ）が中空部材から排出されるように構成すれば、上方向にボーリング孔（１）を削孔して、上方向の領域を凍結することが可能である。

この場合、中空部材内の伝熱性流体（Ｗ）は、ボーリング孔（１）上方の領域（ＡＤＵ）から凍結し、順次下方の領域に向かって凍結する。シースパイプ（２）下端は蓋（３）により閉鎖されているが、シースパイプ（２）の上方の領域の水（Ｗ）が凍結して体積膨張することにより、シースパイプ（２）内の水（Ｗ）の圧力が増加し、蓋（３）に作用する圧力は、上方領域（ＡＤＵ）における圧力にヘッド差Ｈ（ρｇｈ）を加えた圧力よりも大きくなる。その結果、蓋（３）に設けた開閉弁Ｖは開放し、伝熱性流体（Ｗ）が開閉弁（Ｖ）から下方に流出する（矢印ＦＯ）。
シースパイプ（２）内の伝熱性流体（Ｗ）が開閉弁（Ｖ）から下方に流出することにより、ボーリング孔（１）上方の領域（ＡＤＵ）の伝熱性流体（Ｗ）が凍結して体積膨張することにより発生した圧力は逃がされ、冷媒用配管（ＬＯ、ＬＳ）を圧縮しない。そのため、冷媒の循環は適正に行われる。

本発明の第１実施形態を示す説明図である。 実施形態で用いられる冷媒用配管の一例を示す部分斜視図である。 本発明の第２実施形態を示す説明図である。 本発明で好適に用いられる冷媒分配・集合装置を示す部分断面側面図である。

以下、添付図面を参照して、本発明の実施形態について説明する。
図示の実施形態では冷媒として二酸化炭素（ＣＯ_２）を採用した場合を説明している。しかし、冷媒は二酸化炭素に限定される訳ではなく、土壌を凍結できるだけの冷熱を供給する能力がある冷媒であれば、全て適用することが可能である。
最初に図１、図２を参照して、本発明の第１実施形態を説明する。
第１実施形態では、垂直方向下方に延在するボーリング孔１を掘削して、その周辺土壌Ｇを凍結している。また、伝熱性能を有する流体として、水を選択している。

施工に際しては、先ず、図１において示されていない掘削用ケーシングでボーリング孔１を掘削する。ボーリング孔１を掘削した後、掘削用ケーシング（図示せず）を地上側に引き抜いて、当該ボーリング孔１にシースパイプ２を挿入する。シースパイプ２の底部は閉鎖されており、外形寸法は、シースパイプ２の外側面がボーリング孔１の内側面に近接する様に設定されている。
ここで、図示しない掘削用ケーシングを地中に残存した状態でシースパイプ２を挿入し、その後、掘削用ケーシングを地上側に引き抜く場合が存在する。
また、図示の実施形態ではシースパイプ２の底部は閉塞しているが、シースパイプ２の底部が閉塞していない場合が存在する。そして、シースパイプ２の底部が閉塞していない場合には、ボーリング孔１の掘削用ケーシング（図示せず）を地中に残存して、シースパイプ２を使用しない場合、すなわち、シースパイプ２に代えて、地中に残存しているボーリング孔１の掘削用ケーシング（図示せず）を用いる場合が存在する。
シースパイプ２は伝熱性に優れた鋼管等を使用するが、可撓性を有する材料製であっても良い。可撓性を有する材料でシースパイプ２を構成した場合には、シースパイプ２内に伝熱性能を有する流体である水Ｗを充填した際に、水圧により、シースパイプ２が半径方向外方に膨張して、ボーリング孔１内壁にシースパイプ２が密着する。その結果、冷媒の冷熱が凍結するべき土壌Ｇに効果的に伝導される。

ボーリング孔１にシースパイプ２を挿入した後、シースパイプ２内に冷媒を供給する冷媒供給配管ＬＳ（図１では１本）及び冷媒が地上側に戻る冷媒戻り配管ＬＯ（図１では２本）を挿入し、且つ、シースパイプ２内（の冷媒供給配管ＬＳ及び冷媒戻り配管ＬＯ以外の領域）に伝熱性能を有する流体Ｗ（図示の実施形態では水或いは各種水溶液）を充填する。
シースパイプ２内に伝熱性能を有する流体Ｗ（水）は、冷媒用配管ＬＯ、ＬＳ内の冷媒が有する冷熱をシースパイプ２まで伝導するために充填される。ここで、水は伝熱性が良く、取り扱いが容易であり安全に取り扱うことが出来るので、図示の実施形態では、伝熱性能を有する流体としてシースパイプ２内に水を充填している。

シースパイプ２内に配置される冷媒供給配管ＬＳ（冷媒が下向きにのみ流れる配管：冷媒の流れを矢印ＡＲ２で示す）は断熱材Ｉで包囲されている。冷媒供給配管ＬＳの冷媒供給側（地上側）から最も離隔した端部側（箇所ＳＤ：冷媒供給配管ＬＳの地中側端部近傍）も、同様に断熱材Ｉで包囲されている。ただし実際の施工に際しては、図１において、領域ＡＤ全体を断熱材Ｉで充填（構成）して、冷媒供給配管ＬＳの冷媒供給側（地上側）と冷媒戻り配管ＬＯを、例えばＵ字管（図１においては、２本に分岐しているＵ字管）で接続している。
冷媒供給配管ＬＳを包囲する断熱材Ｉとしては、断熱性に優れ、水（伝熱性能がある流体）が浸入し難く、ある程度柔軟性を有する発泡スチレン等が好適である。但し、断熱材Ｉに要求される特性は断熱性であり、柔軟性は断熱性に比較して重要な特性ではない。
一方、冷媒戻り配管ＬＯ（冷媒が上向きにのみ流れる配管：冷媒の流れが矢印ＡＲ３で示されている）の、土壌Ｇの凍結するべき領域に対応する箇所は、断熱材で包囲されてはいない。

図示しないが、地上側には冷媒を冷却して供給する冷媒供給設備（例えば冷凍機）が配置される。
冷媒用配管ＬＳ、ＬＯを経由して、図示しない地上側冷媒供給設備より冷媒の供給を開始すると、液相冷媒が冷媒供給配管ＬＳに供給され（矢印ＡＲ１）、液相冷媒は比重が大きいので冷媒供給配管ＬＳ内を速やかに下降する（矢印ＡＲ２）。
上述した様に、冷媒供給配管ＬＳは断熱材Ｉで包囲されているので、冷媒供給配管ＬＳを流れる冷媒（矢印ＡＲ２で示す冷媒）の冷熱は断熱材Ｉに遮断され、冷媒供給配管ＬＳの外側（半径方向外方）には供給されず、冷媒供給配管ＬＳの外側の水Ｗから熱を奪うことはない。そのため、矢印ＡＲ２で示す冷媒はシースパイプ２内を充填している水Ｗを凍結せず、ボーリング孔１（シースパイプ２）の最下方の領域ＡＤに到達する。

冷媒戻り配管ＬＯの断熱材Ｉで包囲されていない箇所に到達した液相冷媒（液相の二酸化炭素）は、周囲（冷媒供給配管ＬＳの地中側端部近傍に存在する水Ｗ等）から熱（顕熱或いは潜熱）を奪い、気相冷媒或いは気液二相の冷媒となる。
その後、気相の冷媒は比重が小さいので冷媒戻り配管ＬＯ内を直ちに上昇し、気液二相の冷媒においては気相冷媒が液相冷媒を連行して冷媒戻り配管ＬＯ内を直ちに上昇する（矢印ＡＲ３）。
そして、冷媒戻り配管ＬＯ内を上昇する間、冷媒はシースパイプ２周辺の土壌Ｇから熱を奪って（冷熱を周辺土壌Ｇに伝達して）、周辺の土壌Ｇを凍結する。換言すれば、冷媒戻り配管ＬＯ内を上昇する冷媒が保有する冷熱が、冷媒戻り配管ＬＯ、水Ｗ（伝熱性能を有する流体）、シースパイプ２、凍結するべき土壌Ｇの順に伝熱され、ボーリング孔１周辺の土壌Ｇ（凍結するべき土壌）を凍結する。そして上述の様な凍結土壌Ｇを相互に隣接して複数造成すれば、容易に止水壁を築造することが出来る。
冷媒戻り配管ＬＯ内を上昇した冷媒は、その後、図示しない冷媒用配管を経由して、地上側の冷媒供給設備（図示せず）に戻る（矢印ＡＲ４）。

図１の実施形態では、シースパイプ２内に、冷媒供給配管ＬＳ（断熱材で包囲された配管：冷媒が下向きにのみ流れる配管）は１本、冷媒戻り配管ＬＯ（断熱材で包囲されていない配管：冷媒が上向きにのみ流れる配管）は２本示されているが、これに限定される訳ではない。造成する凍結凍土の規模、施工現場の環境条件に応じて、シースパイプ２の形状、大きさと共に、冷媒供給配ＬＳ管及び冷媒戻り配管ＬＯの本数を適宜決定することが出来る。

また、冷媒供給配管ＬＳ、冷媒戻り配管ＬＯの構造についても、単一の配管における冷媒流過方向は一方向である点を除き、図示に限定される訳ではない。冷媒供給配管ＬＳ、冷媒戻り配管ＬＯとして、例えば図２に示す構造が適用できる。
図２において、全体が扁平な部材で構成された冷媒用配管Ｌは、複数（図２では１０本）の矩形断面の冷媒流路Ｌδが設けられた構造を有している（いわゆる「マイクロチャンネル」）。そして、図２で示す冷媒用配管Ｌは、複数の冷媒流路Ｌδの全てにおいて、冷媒が流れる方向が同一となっており、冷媒供給配管ＬＳ及び／又は冷媒戻り配管ＬＯとして用いられている。
冷媒用配管Ｌ（いわゆる「マイクロチャンネル」）はアルミニウム製であり、全体が扁平であり、複数の矩形断面の冷媒流路Ｌδを設けた構造を採用することにより、伝熱性能に優れた冷媒用配管となっている。

冷媒供給配管ＬＳ、冷媒戻り配管ＬＯは多重管であっても良い。
図示は省略するが、冷媒供給配管ＬＳ、冷媒戻り配管ＬＯが多重管、例えば三重管の場合には、三重管の最内管が冷媒供給配管ＬＳを構成し、最外方の円環状空間が（図１では２本示されている）冷媒戻り配管ＬＯを構成し、内管と最外方円環状空間との間の円環状領域の全部或いは半径方向内包方の一部領域に冷媒供給配管ＬＳを包囲する断熱材Ｉを配置或いは充填することが出来る。水Ｗは、当該三重管最外方の外殻部とシースパイプとの間の領域に充填される。
なお、冷媒供給配管ＬＳ、冷媒戻り配管ＬＯを三重管（多重管）で構成する場合、当該三重管（多重管）の本数は複数本であっても良い。

図示されていないが、ボーリング孔１（シースパイプ２）の最下方において、冷媒供給配管ＬＳから出た冷媒を、冷媒戻り配管ＬＯ内の流路に誘導して上昇させるための機構を設けることが可能であり、当該機構として従来公知の機構を採用することが出来る。
図示の実施形態では、冷媒として二酸化炭素（ＣＯ_２）を用いており、上述した様に、液相冷媒（供給された冷媒）は冷媒供給配管ＬＳ内を落下（下降）し、周囲から熱（顕熱或いは潜熱）を奪って気化すると、気相の二酸化炭素と液相の二酸化炭素の比重の差により、気相冷媒は直ちに上昇し、気液二相の冷媒は気相冷媒が液相冷媒を連行して冷媒戻り配管ＬＯ内を直ちに上昇する。そのため、冷媒が二酸化炭素であり、且つ冷媒用配管が多重管であれば、ボーリング孔１の最下方において、冷媒供給配管ＬＳから出た冷媒を、冷媒戻り配管ＬＯ内の流路を上昇させるための機構は不要である。

上述した様に、冷媒供給配管ＬＳは断熱材Ｉで包囲されており、冷媒戻り配管ＬＯは断熱材で包囲していない。そのため、冷媒がボーリング孔１内の冷媒供給配管ＬＳ内に供給されても、冷媒の冷熱は断熱材Ｉで遮断されるので、シースパイプ２内を充填している水Ｗ（伝熱性能を有する流体）は凍結しない。
そして冷媒が冷媒戻り配管ＬＯに到達すると、冷媒戻り配管ＬＯにおける土壌中の凍結するべき領域に対応する箇所は断熱材Ｉで包囲されていないので、当該箇所において、冷媒は周囲から熱（顕熱或いは潜熱）を奪い、気化して、気液二相流となる。気液二相流となった冷媒は冷媒戻り配管ＬＯ内を供給側である地上側に向かって上昇する。
その際（冷媒が冷媒戻り配管ＬＯを流れる際）、冷媒の冷熱が、冷媒用配管、水Ｗ（伝熱性能を有する流体）、シースパイプ２、凍結するべき周辺土壌Ｇの順に伝熱され、ボーリング孔１の周辺土壌Ｇ（凍結するべき土壌）を凍結する。

図１では、供給された冷媒において最も冷熱を放出するのは、冷媒戻り配管ＬＯの土壌中の凍結するべき領域に対応する箇所の最も供給側から離隔した箇所（領域ＡＤ近傍）を流れる冷媒であって、ボーリング孔１（シースパイプ２）内の最下方近傍に存在する冷媒である。そのため、水Ｗ（伝熱性能を有する流体）は、シースパイプ２内における下方の領域ＡＤ（冷媒供給側から離隔した領域）近傍から凍結し、順次シースパイプ２内の上方の領域に向かって凍結が進行する。
この場合、凍結が上方（冷媒供給側）に向かって進行するので、凍結が進行する間においては、シースパイプ２内（ボーリング孔１）の水が凍結する領域よりも上方の領域には氷は存在しない（ボーリング孔１内の凍結する領域の上方の領域は氷で閉鎖されてはいない）。ボーリング孔１内部の領域の水Ｗが下方の領域ＡＤより順次シースパイプ２内の上方の領域に向かって凍結して氷になり、体積膨張して圧力が発生しても、当該圧力はボーリング孔１内の上方の領域の水Ｗを押し上げる（押圧する）作用をするだけである。そして押し上げられた水は、ボーリング孔１の上端開口部から溢れ出て、排出される（矢印ＯＦ）。

すなわち、ボーリング孔１内の下方の領域の水が凍結して体積膨張により圧力が発生しても、その圧力は上方の水（上方には氷は存在しない）を押圧してボーリング孔１（の上端開口部）から排出する様に作用し、冷媒用配管ＬＳ、ＬＯを圧縮する作用は働かない。上方の水を矢印ＯＦで示す様にボーリング孔１（の上端開口部）から排出するのに必要な圧力は、冷媒用配管ＬＳ、ＬＯを圧縮して変形する圧力に比較して遥かに小さいからである。
換言すれば、ボーリング孔１（シースパイプ２）内の水（下方の領域ＡＤから上方に向かって順次凍結する水）が凍結して体積膨張して発生した圧力は、その上方の水をボーリング孔１（の上端開口部）から溢れださせる（矢印ＯＦ）ことにより「逃げる」ため、冷媒用配管ＬＳ、ＬＯを圧縮変形しないのである。
したがって、冷媒用配管ＬＳ、ＬＯが圧縮されず、流路は変形せず、流路断面積が減少することがなく、冷媒用配管ＬＳ、ＬＯが破損することもないので、冷媒の循環は適正に行われる。

次に図３を参照して、本発明の第２実施形態を説明する。
第２実施形態では、垂直方向上方に向けてボーリング孔１を掘削して、その周辺土壌Ｇを凍結している。
以下、主として図１、図２の第２実施形態とは相違する点について説明する。

図３において、ボーリング孔１にシースパイプ２を挿入し、シースパイプ２内に冷媒供給配管ＬＳ（図３では１本）及び冷媒戻り配管ＬＯ（図３では２本）を垂直方向上方に向けて挿入する。なお、冷媒供給配管ＬＳ、冷媒戻り配管ＬＯの本数については、特に限定条件はない。
さらに、シースパイプ２内（の冷媒供給配管ＬＳ及び冷媒戻り配管ＬＯ以外の領域）に伝熱性能を有する流体として水Ｗを充填する。

シースパイプ２内に配置される冷媒供給配管ＬＳ（冷媒が上向きにのみ流れる配管：冷媒の流れを矢印ＡＲ５で示す）は断熱材Ｉで包囲される。冷媒供給配管ＬＳの冷媒供給側（下方側）から最も離隔した端部側（箇所ＳＤＵ：冷媒供給配管ＬＳの上端部近傍）も同様に、断熱材Ｉで包囲されている。実際の施工に際しては、図３において、領域ＡＤＵ全体が断熱材Ｉで充填（構成）されており、冷媒供給配管ＬＳの冷媒供給側から最も離隔した端部と冷媒戻り配管ＬＯは、例えばＵ字管（図３の場合には、２本に分岐したＵ字管）で接続されている。
一方、冷媒戻り配管ＬＯ（冷媒が下向きにのみ流れる配管：冷媒の流れを矢印ＡＲ６で示す）の、土壌Ｇの凍結するべき領域に対応する箇所は、断熱材で包囲されていない。

シースパイプ２の下端は蓋３により閉鎖されている。シースパイプ２内に充填された水Ｗが流出することを防止するためである。なお、冷媒供給配管ＬＳ（断熱材Ｉ）及び冷媒戻り配管ＬＯはシール性を維持した態様で蓋３を貫通している。
蓋３には開閉弁Ｖが設けられている。開閉弁Ｖは、蓋３（開閉弁Ｖを設けた個所）に作用する圧力が、ボーリング孔１上方の領域ＡＤＵにおける水Ｗの圧力にヘッド差Ｈを加えた圧力よりも大きい場合には開放するが、それ以下の場合には閉鎖する。
ここで、前記ヘッド差Ｈは、蓋３（開閉弁Ｖを設けた個所）とボーリング孔１上方の領域ＡＤＵとの高さの差を符号「ｈ」で示すと、 ヘッド差Ｈ＝ρｇｈ なる式で示される（ρはシースパイプ内に充填されている水の比重、ｇは重力加速度）。
ここで、上述の開閉弁Ｖの開閉制御に際しては、例えば従来公知の図示しない制御装置（例えば制御盤やＰＣ等）を使用して、蓋３に作用する圧力、領域ＡＤＵにおける水Ｗの圧力、前記ヘッド差Ｈを演算して行う。

図３では、冷媒供給配管ＬＳを流れる液相冷媒は図示しない冷媒供給機構側でヘッドＨが付加されることにより、配管ＬＳ内を上昇する。
上述した様に、冷媒供給配管ＬＳは断熱材Ｉで包囲されているので、冷媒供給配管ＬＳを流れる冷媒の冷熱は、冷媒供給配管ＬＳの外側（半径方向外方）には供給されず、シースパイプ２内を充填している水Ｗを凍結することなく、上方領域ＡＤＵに到達する。

図３では、最も冷熱を放出するのは、上方領域ＡＤＵ（冷媒供給配管ＬＳの上端部近傍の領域）近傍の冷媒である。そのため、水Ｗは、ボーリング孔１上方の領域ＡＤＵ直下の領域から凍結し、順次下方の領域に向かって凍結する。そして、土壌Ｇの凍結するべき領域に対応する冷媒戻り配管ＬＯの箇所を冷媒が下降する間、冷媒が保有する冷熱が、冷媒戻り配管ＬＯ、水Ｗ、シースパイプ２、凍結するべき土壌Ｇの順に伝熱され、ボーリング孔１周辺の土壌Ｇ（凍結するべき土壌）を凍結する。

上述した様に、シースパイプ２下端は蓋３により閉鎖されている。しかし、シースパイプ２の上方の領域の水Ｗが凍結して体積膨張することにより、シースパイプ２内の水Ｗの圧力が増加するので、蓋３に作用する圧力は、領域ＡＤＵにおける水Ｗの圧力にヘッド差Ｈ（ρｇｈ）を加えた圧力よりも大きくなる。そのため、蓋３に設けた開閉弁Ｖは開放され、水Ｗが開閉弁Ｖから下方に流出（排出）する（矢印ＦＯ）。
シースパイプ２内の水Ｗが開閉弁Ｖから下方に流出（排出）することにより、ボーリング孔１上方の領域ＡＤＵの水Ｗが凍結して体積膨張することにより発生した圧力は逃がされ、冷媒用配管ＬＯ、ＬＳを圧縮しない。

したがって、図３の第２実施形態においても、水Ｗが凍結して体積膨張しても、冷媒用配管ＬＳ、ＬＯが圧縮されず、流路は変形せず、流路断面積が減少することがなく、冷媒用配管ＬＳ、ＬＯが破損することもないので、冷媒の循環は適正に行われる。
なお、開放した開閉弁Ｖから一定量の水が排出されシースパイプ２内の圧力が低下すると、開閉弁Ｖを設けた個所に作用する圧力は、領域ＡＤＵにおける水の圧力にヘッド差Ｈ（ρｇｈ）を加えた圧力以下となり、開閉弁Ｖは閉鎖する。
図３の第２実施形態におけるその他の構成及び作用効果については、図１、図２の実施形態と同様である。

図４は、図示の実施形態（第１及び第２実施形態）で好適に使用される分配・集合装置４である。図示しない地上側の冷媒供給設備から、複数（例えば１０本）の凍結管（図１、図３に示すボーリング孔、シースパイプ、冷媒用配管：以下、「連結管」と総称する）に冷媒である液相二酸化炭素を供給し、複数（例えば１０本）の凍結管に液相冷媒を分配し、及び／又は、複数（例えば１０本）の凍結管から気相或いは気液二相の二酸化炭素を収集するのに適した構造となっている。
図４の分配・集合装置４において、地上側の冷媒供給設備から凍結管に冷媒を供給（分配）する場合は、冷媒供給設備からの冷媒は供給側流出入口４Ａから分配・集合装置４に流入し（矢印ＡＲ７１）、凍結管側流出入口４Ｂ（複数設けられる）より凍結管側に分配（供給）される（矢印ＡＲ７２）。また、凍結管から図示しない冷媒供給設備に冷媒を戻す（集合させる）場合は、凍結管側からの冷媒は凍結管側流出入口４Ｂから分配・集合装置４に流入し（矢印ＡＲ８１）、供給側流出入口４Ａより冷媒供給設備に戻る（矢印ＡＲ８２）。
図４において、符号５（点線で表示）は、分配・集合装置４と凍結管を連通する中間配管である。

冷媒である液相の二酸化炭素は粘性がほとんどないので、図４で示す様な分配・集合装置４により、複数（例えば１０本）の凍結管の冷媒用配管に均一の流量で液相冷媒を供給することが出来る。
また、図４の分配・集合装置４を用いれば、従来技術におけるヘッダ（図示せず）を使用する必要がないので、設備全体をコンパクトにして、省スペース化が図れる。

図示の実施形態はあくまでも例示であり、本発明の技術的範囲を限定する趣旨の記述ではないことを付記する。

１・・・ボーリング孔
２・・・シースパイプ
３・・・蓋
４・・・分配・集合装置
４Ａ・・・供給側流出入口
４Ｂ・・・凍結管側流出入口
５・・・中間配管
Ｇ・・・土壌（凍結すべき土壌）
Ｉ・・・断熱材
Ｌ・・・冷媒用配管
ＬＳ・・・冷媒供給配管
ＬＯ・・・冷媒戻り配管
Ｗ・・・水（伝熱性能を有する流体）
Ｖ・・・開閉弁

Claims (5)

1. ボーリング孔内に断熱材で包囲されており冷媒を供給する配管及び断熱材で包囲されておらず冷媒を供給側に戻す配管が挿入され且つ伝熱性流体が充填されており、冷媒を供給する配管及び冷媒が地上側に戻る配管内では冷媒が一方向のみに流れ、
   冷媒がボーリング孔内の冷媒を供給する配管内を流れる際に冷媒の冷熱は断熱材で遮断され、ボーリング孔内を充填している伝熱性流体を凍結せず、
   冷媒を供給する配管の断熱材で包囲されていない領域に到達した冷媒が周囲から熱を奪い、冷媒を供給側に戻す配管内を流れ、冷媒が保有する冷熱が周辺土壌に伝達され、
   ボーリング孔内に充填された伝熱性流体が冷媒供給側から離隔した領域から凍結し、冷媒供給側領域に向かって凍結し、
   凍結した伝熱性流体の体積膨張により生じた圧力は、冷媒供給側領域の伝熱性流体を押圧して、ボーリング孔の端部から排出することを特徴とする凍結工法。
2. ボーリング孔内に中空部材を挿入し、中空部材の内部空間内に、断熱材で包囲されており冷媒を供給する配管と断熱材で包囲されておらず冷媒を供給側に戻す配管が挿入される請求項１の凍結工法。
3. 前記中空部材がシースパイプである請求項２の凍結工法。
4. 前記中空部材が地中に残存したボーリング孔掘削用ケーシングである請求項２の凍結工法。
5. 垂直方向上方に延在するボーリング孔を削孔し、中空部材の下端を蓋により閉鎖し、当該蓋に開閉弁を設け、当該開閉弁は、蓋に作用する圧力がボーリング孔上方の領域における伝熱性流体の圧力にヘッド差を加えた圧力よりも大きい場合には開放し、それ以下の場合には閉鎖する機能を有しており、
   冷媒を供給する配管の断熱材で包囲されていない上方領域を流れる冷媒が保有する冷熱により、伝熱性流体がボーリング孔上方の領域から順次下方の領域に向かって凍結し、体積膨張して圧力が生じると、前記蓋に作用する圧力が増加して前記開閉弁が開放し、伝熱性流体が中空部材から排出される請求項２〜４の何れか１項の凍結工法。

Images